DE102013113972B4

DE102013113972B4 - Adaptive Beleuchtungsvorrichtung für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen und Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013113972B4
Application number: DE102013113972.8A
Authority: DE
Inventors: Walter Rentschler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: US9456117B2; DE102013113972A1; US20150172524A1

Abstract

Adaptive Beleuchtungsvorrichtung (1) für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen eines Objekts (2) mittels einer Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32), umfassend- eine Anzahl von LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) mit einer Vielzahl von LED-Leuchtmitteln (100-104), die während des Betriebs Licht zur Beleuchtung des Objekts (2) emittieren können,- Aktuatormittel zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18), die dazu ausgebildet sind, zumindest die Beleuchtungsstärken und/oder die Abstrahlrichtungen der LED-Leuchtmittel (100-104) einzeln oder gruppenweise zu variieren,- eine Steuerungseinrichtung (4) zur Steuerung der Aktuatormittel, die Speichermittel umfasst, in der Parametersätze zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) abrufbar gespeichert sind,- eine Auswerteeinrichtung zur Kalibrierung der adaptiven Beleuchtungsvorrichtung (1), die dazu eingerichtet ist, die von den Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32) aufgezeichneten Bilder des Objekts (2) zu erfassen und auszuwerten und daraus die Parametersätze zur adaptiven Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) zu berechnen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Beleuchtungsvorrichtung für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen eines Objekts mittels einer Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Bel euchtungsvo rri chtung.
Der seit einiger Zeit zu beobachtende Wandel in der Lichtquellentechnologie, insbesondere im Hinblick auf die signifikante Leistungssteigerung von Leuchtdioden, ist nicht nur in der Kraftfahrzeugaußenbeleuchtung zu erkennen. Auch als Raumbeleuchtung und als technische Beleuchtungsquellen werden Leuchtdioden mittlerweile häufig eingesetzt. Erste Anwendungen, in denen extreme Helligkeitsanforderungen gelten, wie zum Beispiel bei der Beleuchtung von Sicherheitsversuchsszenen bei der Untersuchung und Simulation von Kraftfahrzeugunfällen, werden zwar diskutiert, stehen derzeit aber noch ganz am Anfang ihrer technologischen Anwendung.
Die Fahrzeugsicherheit hat bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen eine große Bedeutung. Daher werden im Rahmen von Crashversuchen, Crashsimulationen oder bei der Überprüfung sicherheitsrelevanter Komponenten eines Kraftfahrzeugs in entsprechend ausgeführten Simulationsanordnungen spezielle Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen verwendet, die typischerweise Aufzeichnungsfrequenzen zwischen 1000 und 2000 Bildern pro Sekunde haben, um möglichst viele Einzelheiten aufzeichnen zu können, so dass das Crashverhalten sehr genau analysiert werden kann. Bei derartig hohen Aufzeichnungsgeschwindigkeiten sind zur Vermeidung etwaiger Bewegungsunschärfen kurze Belichtungszeiten erforderlich, die typischerweise zwischen 200 und 400 Mikrosekunden liegen.
Wenn die während der Versuchsdurchführung zurückgelegte Wegstrecke des zu untersuchenden, bewegten Objekts (Kraftfahrzeugs) - insbesondere unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes - innerhalb der Verschlussöffnungszeit der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung kleiner ist, als der Abstand zweier benachbarter lichtempfindlicher Sensorpunkte (Sensor-Pixel) eines Bilderfassungssensormittels der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung, ist eine Bewegung des Objekts nicht mehr erkennbar. Folglich ist auch keine Bewegungsunschärfe mehr zu beobachten. Die Einstellung der Belichtungszeit der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung bildet daher einen geeigneten Kompromiss zwischen der Vermeidung einer unerwünschten Bewegungsunschärfe und einer maximalen Belichtungszeit, so dass genügend Photonen auf das Bilderfassungssensormittel der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung einfallen können und somit eine ausreichende Bildhelligkeit erreicht werden kann. Neben der Belichtungszeit gibt es als weitere Variable den Blendenwert eines Blendenmittels der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung, der ebenfalls einen unmittelbaren Einfluss auf die resultierende Tiefenschärfe hat.
Um die vorstehend genannten Anforderungen der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen erfüllen zu können, muss bei Bildaufzeichnungsfrequenzen in der oben genannten Größenordnung von der zur Ausleuchtung des Objekts während der Bildaufzeichnung verwendeten Beleuchtungsvorrichtung ein sehr hoher Lichtstrom erzeugt werden, damit das Objekt in einem ausreichenden Maße ausgeleuchtet werden kann. Die Beleuchtungsstärke am Objekt liegt typischerweise in einer Größenordnung von etwa 80000 bis 160000 Lux bei einem Lichtstrom von etwa 2,5 bis 5,5 Mlm (Megalumen). Wenn eine derart große Lichtmenge auf das Versuchsobjekt (Testfahrzeug mit Versuchsaufbau) eingestrahlt wird, gibt es nicht nur ausgeleuchtete Bereiche, sondern auch relativ ausgeprägte Schattenbereiche. Das von dem Objekt reflektierte Licht der Beleuchtungsvorrichtung führt in unterschiedlichen Raumrichtungen zu unterschiedlichen Hell-Dunkel-Verläufen.
Eine Simulationsanordnung für Kraftfahrzeugunfälle wird zum Beispiel in der DE 198 26 288 B4 offenbart.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine besonders homogene Ausleuchtung eines für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen zu beleuchtenden Objekts erreicht werden kann.
Hinsichtlich der Beleuchtungsvorrichtung wird diese Aufgabe durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße adaptive Beleuchtungsvorrichtung für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen eines Objekts mittels einer Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen umfasst

- eine Anzahl von LED-Beleuchtungseinheiten mit einer Vielzahl von LED-Leuchtmitteln, die während des Betriebs Licht zur Beleuchtung des Objekts emittieren können,
- Aktuatormittel zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten, die dazu ausgebildet sind, zumindest die Beleuchtungsstärken und/oder die Abstrahlrichtungen der LED-Leuchtmittel einzeln oder gruppenweise zu variieren,
- eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Aktuatormittel, die Speichermittel umfasst, in der Parametersätze zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten abrufbar gespeichert sind, sowie
- eine Auswerteeinrichtung zur Kalibrierung der adaptiven Beleuchtungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die von den Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen aufgezeichneten Bilder des Objekts zu erfassen und auszuwerten und daraus die Parametersätze zur adaptiven Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten zu berechnen.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst typischerweise über 10000 Leuchtdioden, welche in einer Anzahl von LED-Beleuchtungseinheiten zusammengefasst sind. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung erlaubt es, durch eine entsprechende Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten, die zu einer Variation der Beleuchtungsstärke (Helligkeit) und/oder der Abstrahlwinkel (insbesondere Azimut- und/oder Neigungswinkel) der LED-Beleuchtungseinheiten beziehungsweise der LED-Leuchtmittel führt, am Objekt eine inhomogene Beleuchtung in der Weise zu erzeugen, dass nach einer Reflexion in die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Objektbild zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Bildhelligkeitsanalyse des von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchteten Objekts durchführen kann und ein Helligkeitshistogramm generieren kann. Aus einem derartigen Histogramm lassen sich verschiedene Kenngrößen des aufgezeichneten Bildes berechnen, die eine Basis für die Kalibrierung der adaptiven Beleuchtungsvorrichtung bilden können. Besonders relevante Kenngrößen sind dabei die Häufigkeit der Grauwertstufen, der Mittelwert aller Grauwerte, sowie die Varianz der Grauwerte.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass in den Speichermitteln Parametersätze zur adaptiven Beleuchtung einer Mehrzahl von Objekten in einer Mehrzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen und/oder Versuchsbedingungen gespeichert sind, die von der Steuerungseinrichtung selektiv abrufbar sind. Durch die gespeicherten Parametersätze kann in vorteilhafter Weise sehr rasch zwischen unterschiedlichen zu beleuchtenden Objekten beziehungsweise Umgebungs- und/oder Versuchsbedingungen gewechselt werden.
Um eine Reproduzierbarkeit der Beleuchtung des Objekts zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass jede der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen einem Beleuchtungsteilbereich auf dem beleuchteten Objekt eindeutig zugeordnet werden kann.
Auch die LED-Beleuchtungseinheiten der Beleuchtungsvorrichtung müssen dem Ort, den sie auf dem Objekt beleuchten, eindeutig zugeordnet werden können. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, dass in den Speichermitteln Ortsinformationen der LED-Beleuchtungseinheiten abrufbar gespeichert sind, mittels derer die LED-Beleuchtungseinheiten denjenigen Teilbereichen, die sie auf dem Objekt beleuchten können, zugeordnet werden können.
Vorzugsweise können die LED-Leuchtmittel der LED-Beleuchtungseinheiten in einer Anzahl m von Reihen übereinander und in einer Anzahl n von Spalten nebeneinander angeordnet sein. Dadurch kann eine gleichmäßige Ausleuchtung des Objekts erreicht werden. Ferner eignen sich die in den vier Eckbereichen angeordneten LED-Leuchtmittel in vorteilhafter Weise auch für eine Ortskalibrierung der betreffenden LED-Beleuchtungseinheit.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die Schritte

a) Aktivieren der Beleuchtungsvorrichtung und Beleuchten einer Ausleuchtungsseite des Objekts mittels der LED-Leuchtmittel zumindest einiger der LED-Beleuchtungseinheiten,
b) Aufzeichnen einer Mehrzahl von Bildern des Objekts mittels einer Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen,
c) Analysieren einer Bildhelligkeit eines jeden Bilds und Erzeugen eines Helligkeitshistogramms zur Erfassung überbelichteter und unterbelichteter Bereiche des Objekts,
d) Zuordnen der LED-Beleuchtungseinheiten zu den von diesen beleuchteten Bereichen des Objekts,
e) Bereitstellen einer Mehrzahl von Parametern zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten zur Einstellung zumindest der Beleuchtungsstärken und/oder die Abstrahlrichtungen der LED-Leuchtmittel der LED-Beleuchtungseinheiten, mit denen das Objekt beleuchtet wird,
f) Aufzeichnen einer Mehrzahl von Bildern des Objekt mittels der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen,
g) Berechnen einer Ist-Korrelation aus den im Schritt f) aufgezeichneten Bildern und Vergleichen der Ist-Korrelation mit einer Soll-Korrelation,
h) Wiederholen der Schritte e) bis g) mit geänderten Parametern, bis die Ist-Korrelation im Wesentlichen der Soll-Korrelation entspricht,
i) Speichern der Parameter in mindestens einem Speichermittel.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise eine automatisierte Adaption der Beleuchtungsstärken und/oder der Abstrahlrichtungen (durch Anpassung der Azimut- und/oder Neigungswinkel) der LED-Leuchtmittel der LED-Beleuchtungseinheiten der Beleuchtungsvorrichtung. Das Verfahren ermöglicht es, von einer langwierigen visuell-manuellen Lichteinstellung der Beleuchtungsvorrichtung zu einem automatisierten, von einer Auswerteeinrichtung rechnerisch unterstützten iterativen Adaptionsprozess zu gelangen. Durch die enorme Zeiteinsparung für die Einstellung einer möglichst optimalen Ausleuchtung des Objekts, die das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht, kann eine erhebliche Effizienzsteigerung im Prozess „Crashversuch“ erreicht werden. Die Verfahrensschritte e) bis g) werden so lange wiederholt, bis die Ist-Korrelation im Wesentlichen der Soll-Korrelation entspricht und dieser somit am nächsten kommt. Eine wesentliche Änderung gegenüber früheren Beleuchtungstechniken besteht ferner darin, dass die LED-Leuchtmittel der LED-Beleuchtungseinheiten nicht nur bei 100 % oder 50 %, sondern in einem Bereich von 30 % bis 100 % (gegebenenfalls auch bis 200 %) ihrer optischen Nennleistung betrieben werden. Dabei kann die resultierende Helligkeit insbesondere in Stufen von 10 % selektiv gesteigert beziehungsweise reduziert werden.
Unterschiedliche Helligkeitszonen und besonders störende Totalreflexionen, die zum Beispiel von einer ungleichmäßigen Topografie (Rückstrahlwinkel) und von unterschiedlich stark reflektierenden Materialeigenschaften des beleuchteten Objekts oder durch Überlagerungen des von zwei oder mehreren LED-Leuchtmitteln emittierten Lichts auf dem Objekt hervorgerufen werden, können durch die automatisierte Adaption an beliebige Objekttopografien vermieden werden. Die zum Beispiel in einer Sicherheitsversuchsanordnung ortsfest installierten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen werden zu dem Zweck eingesetzt, die Lichtverteilung an dem Objekt, das mit der Beleuchtungsvorrichtung ausgeleuchtet wird, zu erfassen. Dabei korrelieren insbesondere der Bildausschnitt, die Brennweite, die Aufzeichnungsfrequenz sowie die Verschlussöffnungszeiten mit den Werten einer realen Versuchsdurchführung. Die Beleuchtungsvorrichtung wird für einen kurzen Zeitraum eingeschaltet und die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen erfassen eine kurze Testsequenz, die beispielsweise 10 Bilder umfassen kann. Diese Testsequenz wird einer Auswerteeinrichtung zur Verfügung gestellt, mittels derer eine Bildhelligkeitsanalyse des von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchteten Objekts durchgeführt wird und ein Helligkeitshistogramm generiert. In einem derartigen Histogramm wird die relative oder absolute Häufigkeit der Helligkeitsstufen des aufgezeichneten Bildes, insbesondere in Form einer Tabelle oder einer Grafik, dargestellt. Aus diesem Histogramm lassen sich verschiedene Kenngrößen des aufgezeichneten Bildes berechnen. Für das hier beschriebene Verfahren sind drei Kenngrößen von besonderer Bedeutung:

I) Häufigkeit der Grauwertstufen,
II) Mittelwert aller Grauwerte, sowie
III) Varianz der Grauwerte.

Um die von der Auswerteeinrichtung auszuwertende Datenmenge und damit auch den resultierenden Auswerte- beziehungsweise Rechenaufwand zu verringern, können die gesamten Grauwertstufen, welche die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen auflösen können, in besonders vorteilhafter Weise vereinfachend in eine sinnvolle (reduzierte) Anzahl von Grauwertgruppen unterteilt und gruppiert werden. Dann müssen also nicht zwingend 12 Bit (und damit 4096 Graustufen), sondern beispielsweise nur 100 Graustufengruppen ausgewertet werden, wodurch sich der Rechenaufwand dementsprechend verringert. Diese Vereinfachung impliziert zwar eine gewisse Unschärfe bei der Datenanalyse, die sich in der Praxis aber nicht nennenswert auf das Ergebnis auswirkt.
Die Basis der Kennwerte bildet somit die Grauwertverteilung (Häufigkeit der einzelnen Grauwertstufen), die in Form des Histogramms vorliegt. Über den berechneten Mittelwert aller Graustufen können insbesondere Informationen über die globale Helligkeit eines aufgezeichneten Bildes des Objekts erhalten werden. Wenn aus den aufgezeichneten Bildern eine große Helligkeitsvarianz errechnet wird, die sich in einer hohen Varianz der Grauwerte manifestiert, deutet dies auf deutliche Hell-Dunkel-Unterschiede im aufgezeichneten Bild hin. In welcher absoluten Größenordnung diese Kennparameter bei dem zu untersuchenden Bildmaterial liegen müssen, wird zunächst lediglich empirisch ermittelt. Durch entsprechend vorgegebene obere und untere Helligkeitsgrenzen am Objekt und unter Beachtung der Sensoreigenschaften der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (zu nennen sind in diesem Zusammenhang insbesondere die spektrale Lichtempfindlichkeit und Dynamik) lassen sich übermäßig helle und übermäßig dunkle Zonen des beleuchteten Objekts sowie Totalreflexionen lokalisieren und eliminieren.
Eine Ortskalibrierung kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die an den vier Eckbereichen jeder LED-Beleuchtungseinheit angeordneten LED-Leuchtmittel sukzessive mit beispielsweise 50 % der Helligkeitseinstellung für eine bestimmte Zeitdauer von Bildern (zum Beispiel 5 Bildern) aktiviert werden. Folglich wird das Objekt auf diese Weise durch vier Lichtkegel beleuchtet. Innerhalb dieser vier Lichtkegel befindet sich das Beleuchtungsfeld der entsprechenden LED-Beleuchtungseinheit, die zum Beispiel 4 x 6 = 24 LED-Leuchtmittel (welche jeweils eine Leuchtdiode oder Gruppen von Leuchtdioden aufweisen können), die auf vier Zeilen und sechs Spalten aufgeteilt sind. Im Bild der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung werden diese vier Lichtkegel mit der von ihnen eingeschlossenen Fläche als „Ausleuchtungsfeld Nr. 1“ registriert. Alle weiteren LED-Beleuchtungseinheiten der Beleuchtungsvorrichtung werden in entsprechender Weise sukzessive aktiviert und die Koordinaten der (jeweils vier) in den Eckbereichen angeordneten LED-Leuchtmittel als entsprechende Ausleuchtungsfelder Nr. 2 bis Nr. k registriert, wobei k die Anzahl der LED-Beleuchtungseinheiten bezeichnet. Die Koordinaten müssen dabei nicht zwingend in einer Längeneinheit gespeichert werden. Zur Orientierung und eindeutigen Zuordnung werden die Nummerierungen der vier beleuchteten Pixelaufnahmegruppen der entsprechenden Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung und das zugehörige Ausleuchtungsfeld registriert.
Das hier vorgestellte Verfahren beinhaltet eine geometrische und eine lichttechnische Kalibrierung der Beleuchtungsvorrichtung. Zunächst wird von der Beleuchtungsvorrichtung ein gleichförmiger Helligkeitsstrom auf das zu beleuchtende Objekt emittiert. Von diesem Objekt wird das Licht als inhomogene Lichtverteilung in die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen reflektiert. Diese inhomogene Lichtverteilung wird bei einem Kraftfahrzeug zum Beispiel durch eine unregelmäßige Fahrzeugoberfläche mit ihren vielfältigen, unregelmäßigen Radien und Freiformflächen verursacht. Die in verschiedenen Positionen in unterschiedlichen Azimut- und Neigungswinkeln zum Objekt ortsfest positionierten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen verstärken die entstandene Lichtinhomogenität noch mehr. Diesen letztlich in den Abbildungen der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen sichtbaren Inhomogenitäten wird mit dem hier vorgestellten Verfahren in geeigneter Weise entgegengewirkt. Ziel ist es, möglichst homogen ausgeleuchtete Versuchsszenen zur späteren qualitativen und quantitativen Auswertung zu erzeugen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass Ähnlichkeiten der Helligkeitsverteilungen der erfassten Bilder aller auf der Ausleuchtungsseite des Objekts angeordneten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen durch die Methode der Kreuzkorrelation berechnet werden. Eine derartige Kreuzkorrelation ermöglicht eine einfache Analyse von Ähnlichkeiten der Helligkeitsverteilungen sämtlicher Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen, die auf der jeweiligen Ausleuchtungsseite des Objekts angeordnet sind und dort Bilder des Objekts erfassen. Von Vorteil ist es, wenn man zu dieser Berechnung das Objekt (Versuchsfahrzeug) aus seiner Bildumgebung per Bildverarbeitungsoperation extrahiert. Dadurch können in vorteilhafter Weise wirklich nur die Helligkeitsverteilungen auf dem Objekt berücksichtigt werden und nicht zusätzlich diejenigen aus der unwichtigen Umgebung des Objekts. Die Basis für die Berechnung dieser Kreuzkorrelation bildet das oben bereits erwähnte Histogramm und die daraus abgeleiteten Kenngrößen Häufigkeit, Mittelwert und Varianz der Grauwerte. Dieser Korrelationswert gibt an, bis zu welchem Grad die Helligkeitsverteilungen der verschiedenen Bilder der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen übereinstimmen. Die beste Lichteinstellung der LED-Leuchtmittel für mehrere Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen gleichzeitig liegt bei derjenigen Parameterkonfiguration vor, bei welcher der Korrelationskoeffizient der Zahl 1 am nächsten kommt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass nach dem Kalibrieren einer ersten Ausleuchtungsseite des Objekts die Verfahrensschritte a) bis i) für jede weitere Ausleuchtungsseite des Objekts durchgeführt werden. Dadurch werden entsprechende Parameter zur Ansteuerung der LED-Leuchtmittel derjenigen LED-Beleuchtungseinheiten, die das Objekt an den übrigen Ausleuchtungsseiten beleuchten, bereitgestellt.
Um die von den Speichermitteln zu speichernden Datenmengen zu reduzieren, besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass die Parameter zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten durch eine Quantisierung zu Parametersätzen reduziert werden.
Um den Kalibrier- und Rechenaufwand zu verringern, kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass für die Kalibrierung der Beleuchtungsvorrichtung Kalibrierungsstartwerte, die aus Simulationen erhalten werden, als Initialisierungsparameter für die Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten gesetzt werden. Zur Ermittlung von sehr guten Startwerten ist es zweckmäßig, eine rechnerische Simulation mit einem hochwertigen Rechenmodell der praktischen Kalibrierung voranzustellen. Durch Variation von Beleuchtungsparametern, realen Fahrzeugaußenkonturen aus CAD-Daten, der Anwendung von korrekten physikalischen Reflexions-, Absorptions- und Streuungsgesetzen sowie den Eigenschaften von unterschiedlichen Lichtwellenlängen (Farben) usw. können die Lichtadaptionsparameter zu einem hohen Qualitätsgrad in einem Modell berechnet werden. Die per Simulation errechneten Abstrahlwinkel und Lichtströme der LED-Leuchtmittel müssen nur als Initialisierungsparameter an die Steuerungseinrichtung übergeben werden. Durch die Steuerungseinrichtung werden die per Simulation berechneten Werte über die Aktuator mittel eingestellt. Ein sofortiger Test mit diesen Einstelldaten zeigt die Qualität der Simulation. Mit den berechneten Startwerten eines guten Simulationsprogrammes erhält man die Bestätigung, dass die auf ein Minimum reduzierten Kalibrierungen dennoch eine ausreichende Zahl von Einstelldaten für eine - gleichzeitig für alle Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen - zuverlässige beste Parameterfindung ergeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen

1 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Beleuchtungsvorrichtung für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen, die eine Mehrzahl von LED-Beleuchtungseinheiten aufweist, und eines von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchteten Kraftfahrzeugs,
2 eine schematische Darstellung einer Interpolation der Helligkeitsflächen zwischen den an den vier Eckbereichen einer der LED-Beleuchtungseinheiten angeordneten LED-Leuchtmittel,
3 eine schematische Darstellung eines Kalibrierungsregelkreises zur Kalibrierung der Beleuchtungsvorrichtung,
4 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung bei der Beleuchtung des Objekts.

Unter Bezugnahme auf 1 ist dort ein Teil einer adaptiven Beleuchtungsvorrichtung 1 für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen mit einem zu beleuchtenden Objekt 2, das vorliegend ein Kraftfahrzeug ist, dargestellt. Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung 1 kann insbesondere in einer Sicherheitsversuchsanordnung installiert sein und eignet sich für die Beleuchtung des Objekts 2 für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen im Rahmen von Crashtests oder Crashsimulationen.
Die adaptive Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst eine Anzahl von LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 mit einer Vielzahl, vorzugsweise einzeln ansteuerbarer LED-Leuchtmittel 100, die jeweils mindestens eine Leuchtdiode oder mindestens eine Leuchtdiodengruppe umfassen können. In 1 sind insgesamt neun LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 gezeigt, die in drei Reihen übereinander und in drei Spalten nebeneinander angeordnet sind und dazu in der Lage sind, die in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen rechte Seite des Objekts (Kraftfahrzeugs) 2 zu beleuchten.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist darüber hinaus weitere, hier nicht explizit dargestellte LED-Beleuchtungseinheiten auf, um zum Beispiel auch die in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet linke Seite sowie die Oberseite des Objekts 2 (vorliegend das Dach des Kraftfahrzeugs) ebenfalls beleuchten zu können.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 ist so ausgebildet, dass während ihres Betriebs ein sehr hoher Lichtstrom erzeugt werden kann, damit das Objekt 2 in einem ausreichenden Maße ausgeleuchtet werden kann. Die gesamte Beleuchtungsstärke liegt typischerweise in einer Größenordnung von etwa 80000 bis 160000 Lux bei einem Lichtstrom von etwa 2,5 bis 5,5 Mlm (Megalumen). Die Beleuchtungsvorrichtung 1 ist ferner so ausgeführt, dass die LED-Leuchtmittel 100 der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 so angesteuert werden können, dass sie nicht nur bei 100 % oder 50 %, sondern in einem Bereich von 30 % bis 100 % (gegebenenfalls auch bis 200 %) ihrer optischen Nennleistung betrieben werden können. Dabei kann die resultierende Helligkeit insbesondere in Stufen von 10 % selektiv gesteigert beziehungsweise reduziert werden.
Die Bilderfassung erfolgt mit Hilfe einer Anzahl, insbesondere ortsfest angeordneter, Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32. In 3 sind exemplarisch drei derartige Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Während des Betriebs wird das Objekt 2 von den LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 der Beleuchtungsvorrichtung 1 beleuchtet. Von dem Objekt 2 wird das Licht als inhomogene Lichtverteilung in die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 reflektiert. Diese inhomogene Lichtverteilung wird insbesondere durch unregelmäßige Oberflächen des Objekts 2, die vielfältige, unregelmäßige Radien und Freiformflächen aufweisen können, verursacht.
Unterschiedliche Helligkeitszonen und besonders störende Totalreflexionen, die zum Beispiel von einer ungleichmäßigen Topografie (Rückstrahlwinkel) und von unterschiedlich stark reflektierenden Oberflächenmaterialien des Objekts 2 sowie durch Überlagerungen des von zwei oder mehreren LED-Leuchtmitteln 100, 101, 102, 103, 104 emittierten Lichts auf dem Objekt 2 hervorgerufen werden, können durch eine automatisierte Lichtadaption an beliebige Objekttopografien, die nachfolgend näher erläutert werden wird, vermieden werden.
Die Vorarbeiten für diese automatisierte Lichtadaption müssen dabei in einem vom üblichen Versuchsbetrieb separaten Arbeitsschritt geleistet werden. Die in der Sicherheitsversuchsanordnung ortsfest installierten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 können die Lichtverteilung an dem Objekt 2, das mit der Beleuchtungsvorrichtung 1 ausgeleuchtet wird, erfassen. Dabei korrelieren insbesondere der Bildausschnitt, die Brennweite, die Aufzeichnungsfrequenz sowie die Verschlussöffnungszeiten mit den Werten einer realen Versuchsdurchführung.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 wird zunächst für einen kurzen Zeitraum eingeschaltet, so dass die LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 Licht emittieren und dadurch das Objekt 2 beleuchten können. Die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 erfassen zunächst nur eine kurze Testsequenz, die beispielsweise zehn Bilder umfassen kann. Diese Testsequenz wird einer rechnerbasierten Auswerteeinrichtung der Beleuchtungsvorrichtung 1 zur Verfügung gestellt, mittels derer eine Bildhelligkeitsanalyse des von der Beleuchtungsvorrichtung 1 beleuchteten Objekts 2 durchgeführt wird und ein Helligkeitshistogramm generiert wird. In einem derartigen Histogramm wird die relative oder absolute Häufigkeit der Helligkeitsstufen des aufgezeichneten Bildes, insbesondere in Form einer Tabelle oder einer Grafik, dargestellt. Aus diesem Histogramm lassen sich verschiedene Kenngrößen des aufgezeichneten Bildes berechnen. Dabei sind drei Kenngrößen von besonderer Bedeutung:

Um die von der Auswerteeinrichtung auszuwertende Datenmenge und damit auch den resultierenden Auswerte- beziehungsweise Rechenaufwand zu verringern, können die gesamten Grauwertstufen, welche die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 auflösen können, in besonders vorteilhafter Weise vereinfachend in eine sinnvolle (reduzierte) Anzahl von Grauwertgruppen unterteilt und gruppiert werden. Dann müssen also nicht zwingend 12 Bit (und damit 4096 Graustufen), sondern beispielsweise nur 100 Graustufengruppen ausgewertet werden, wodurch sich der Rechenaufwand für die Auswerteeinrichtung dementsprechend verringert. Diese Vereinfachung impliziert zwar eine gewisse Unschärfe bei der Datenanalyse, die sich in der Praxis aber nicht nennenswert auf das Ergebnis auswirkt.
Die Basis der Kennwerte bildet somit die Grauwertverteilung (Häufigkeit der einzelnen Grauwertstufen), die in Form des Histogramms vorliegt. Über den berechneten Mittelwert aller Graustufen können insbesondere Informationen über die globale Helligkeit eines aufgezeichneten Bildes des Objekts 2 erhalten werden. Wenn aus den aufgezeichneten Bildern eine große Helligkeitsvarianz errechnet wird, die sich in einer hohen Varianz der Grauwerte manifestiert, deutet dies auf deutliche Hell-Dunkel-Unterschiede im aufgezeichneten Bild hin. In welcher absoluten Größenordnung diese Kennwerte bei dem zu untersuchenden Bildmaterial liegen müssen, wird zunächst lediglich empirisch ermittelt.
Durch entsprechend vorgegebene obere und untere Helligkeitsgrenzen am Objekt 2 und unter Beachtung der Sensoreigenschaften der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 (zu nennen sind in diesem Zusammenhang insbesondere die spektrale Lichtempfindlichkeit und Dynamik) lassen sich übermäßig helle und übermäßig dunkle Zonen des beleuchteten Objekts 2 sowie Totalreflexionen lokalisieren und eliminieren.
Von besonderer Bedeutung ist, dass jede der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 ihrem jeweiligen Ausschnittsbereich auf dem beleuchteten Objekt 2 eindeutig zugeordnet werden kann. Auch die LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 der Beleuchtungsvorrichtung 1 müssen dem Ort, den sie auf dem Objekt 2 beleuchten, eindeutig zugeordnet werden können. Diese Zuordnungen der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31 sowie der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 können durch eine automatisierte Ortskalibrierung erfolgen, die nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 und 2 näher erläutert werden soll.
In einem ersten Schritt werden die an den vier Eckbereichen jeder der insgesamt k LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 angeordneten LED-Leuchtmittel 101, 102, 103, 104 sukzessive mit beispielsweise 50 % der Helligkeitseinstellung für eine bestimmte Zeitdauer aktiviert, so dass zum Beispiel fünf Bilder des Objekts 2 erfasst werden können. Exemplarisch ist diese Situation in 1 für die mit dem Bezugszeichen 15 versehene LED-Beleuchtungseinheit gezeigt. Folglich wird das Objekt 2 auf diese Weise durch vier Lichtkegel 1010, 1020, 1030, 1040 beleuchtet. Innerhalb des durch die vier Lichtkegel 1010, 1020, 1030, 1040 an den Ecken begrenzten Bereichs befindet sich das Beleuchtungsfeld der entsprechenden LED-Beleuchtungseinheit 15, die zum Beispiel 4× 6 = 24 LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 aufweisen kann, die auf vier Zeilen und sechs Spalten aufgeteilt sind. Im Bild einer der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 werden diese vier Lichtkegel 1010, 1020, 1030, 1040 mit der von ihnen eingeschlossenen Fläche als „Ausleuchtungsfeld Nr. 1“ registriert. Alle weiteren LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 der Beleuchtungsvorrichtung 1 werden in entsprechender Weise sukzessive aktiviert und die Koordinaten der (jeweils vier) an den Eckbereichen jeder der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 angeordneten Leuchtdioden 101, 102, 103, 104 als entsprechende Ausleuchtungsfelder Nr. 2 bis Nr. k registriert. Die Koordinaten müssen dabei nicht zwingend in einer Längeneinheit gespeichert werden. Zur Orientierung und eindeutigen Zuordnung werden die Nummerierungen der vier beleuchteten Pixelaufnahmegruppen der entsprechenden Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 30, 31, 32 und das zugehörige Ausleuchtungsfeld registriert und in Speichermitteln der Auswerteeinrichtung gespeichert.
Unter der Annahme, dass durch die Grundeinstellung der LED- Beleuchtungseinheiten 10-18 keine Überlappungen, Lücken der Beleuchtung oder dergleichen vorliegen, können in einem nächsten Schritte alle LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 der Beleuchtungsvorrichtung 1 aktiviert werden. Aus einer einzelnen Bildansicht einer der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 ist bei einer Ersteinstellung sehr wahrscheinlich keine sehr gute Lichthomogenität zu erwarten. Durch die zunächst erfolgte Kalibrierung ist es allerdings bekannt, welche der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 zu viel oder zu wenig Licht auf das zu beleuchtende Objekt 2 emittieren. Dies ist in Abhängigkeit von den Standorten der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 auf der Ausleuchtungsseite des Objekts 2 unterschiedlich. Durch eine entsprechende Interpolation können die einzelnen LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 einer LED-Beleuchtungsgruppe 10-18 relativ genau als Überstrahler (diese emittieren im Verhältnis zu anderen LED-Leuchtmitteln 100, 101, 102, 103, 104 zu viel Licht) beziehungsweise als Unterstrahler (diese emittieren im Verhältnis zu anderen LED-Leuchtmitteln 100, 101, 102, 103, 104 zu wenig Licht) identifiziert werden. Diese so identifizierten einzelnen LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 können nun in ihrer Helligkeit auf Basis des in die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 30, 31, 32 reflektierten Lichts beziehungsweise dem daraus resultierenden Bild mit entsprechender Helligkeitsverteilung nach oben oder unten korrigiert werden.
In weiteren Schritten können zusätzliche Optimierungen in der Lichtabstrahlung der einzelnen LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 vorgenommen werden, so dass ein maximal homogen ausgeleuchtetes Bild erhalten werden kann. Was für die erste Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 30 ein homogenes Bild darstellt, kann allerdings für eine zweite, an einem anderen Aufstellort positionierte Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 31, insbesondere aufgrund der in diese Richtung anders reflektierten Lichtstrahlen, eine schlechtere Homogenität ergeben. Entsprechendes gilt auch für die übrigen, auf einer Ausleuchtungsseite des Objekts 2 positionierten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 32. Das vorstehend beschriebene Verfahren wird daher ebenfalls (vorzugsweise simultan) für die zweite und jede weitere Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 31, 32 durchgeführt. Es versteht sich, dass nicht für alle Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 einer Seite gleichzeitig die besten Lichtkonfigurationen erreicht und gefunden werden können.
Eine Kalibrierung der Beleuchtungsvorrichtung 1 erfolgt vorzugsweise mittels eines geschlossenen Regelkreises, wie er in 3 dargestellt ist. Ein Parametersollwertgeber stellt der Beleuchtungsvorrichtung 1 einen Parametersatz zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 zur Verfügung, mit dem das Objekt 2 beleuchtet wird. Mittels der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 wird das beleuchtete Objekt 2 mit den reflektierten Helligkeitswerten abgebildet. Diese reflektierten Helligkeitswerte entsprechen allerdings nicht mehr dem ursprünglichen Soll-Parametersatz, da sie durch die Reflexionen am Objekt 2 in ihrer Helligkeitsverteilung verändert wurden. Aus den helligkeitsveränderten Bildern wird eine Korrelation, die so genannte Ist-Korrelation, berechnet und diese einem Soll-Ist-Vergleich mit einer Soll-Korrelation zugeführt. Vom Parametersollwertgeber wird anschließend der nächste Parametersatz generiert und wieder in den Regelkreis eingebracht. Dieses erfolgt iterativ so lange, bis die Parametervorgaben dem rücklaufenden Ist-Datensatz am nächsten kommen. Auf diese Weise kann für alle Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 gemeinsam die beste erreichbare Lichtadaption gefunden worden.
Alle Einstellungen, welche in der vorstehend beschriebenen Weise für die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 einer Ausleuchtungsseite des Objekts 2 synchron durchfahren wurden, müssen nachfolgend einer Rechenprozedur unterzogen und dabei verarbeitet werden. Dabei muss bei einer Intensitätseinstellung der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 in allen Bildern der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 die jeweils maximale Homogenität erreicht werden. Hierzu ist zunächst eine große Zahlenbasis mit sehr vielen Parametern zu erarbeiten. Zunächst ist der abgestrahlte Lichtstrom die Variable. Dieser muss mehrere LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 mit ihren in den Spalten und Reihen angeordneten LED-Leuchtmitteln 100 durchlaufen. Dann kommen die geometrischen Parameter, insbesondere die mit Hilfe von Aktuatormitteln einstellbaren Abstrahlwinkel in Azimut und Neigung, welche je nach Quantisierung unterschiedliche Anzahlen von Stufen durchlaufen müssen. Um eine akzeptable Menge an Parametern zu bekommen, müssen alle Parameter aus möglichst wenigen Variablen bestehen.
Über die Berechnung einer Kreuzkorrelation kann die Ähnlichkeit der Helligkeitsverteilungen in allen auf einer Ausleuchtungsseite des Objekts 2 installierten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 berechnet werden. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn für diese Berechnung das Objekt 2 aus seiner Bildumgebung durch eine von der Auswerteeinrichtung durchgeführte Bildverarbeitungsoperation extrahiert wird. Dadurch könnten nur die Helligkeitsverteilungen auf dem Objekt 2 berücksichtigt werden, nicht jedoch zusätzlich diejenigen aus der unwichtigen Umgebung des Objekts 2.
Die Basis für die Berechnung dieser Kreuzkorrelation bildet das oben bereits erwähnte Histogramm und die daraus abgeleiteten Kenngrößen Häufigkeit, Mittelwert und Varianz der Grauwerte. Dieser Korrelationswert gibt an, bis zu welchem Grad die Helligkeitsverteilungen der verschiedenen Bilder der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 übereinstimmen. Die beste Lichteinstellung der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 für mehrere Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 gleichzeitig liegt bei derjenigen Parameterkonfiguration vor, bei welcher der Korrelationskoeffizient der Zahl 1 am nächsten kommt.
Von der Quantisierung aller Parameter hängt es ab, wie viele Parametervarianten praktisch eingestellt und gemessen werden müssen. Vereinfachend (den Kalibrieraufwand reduzierend) wirkt sich ebenfalls aus, wenn Helligkeitsvariationen in den Spalten und Reihen einer LED-Beleuchtungseinheit 10-18 als Gesamtheit behandelt werden und nicht jedes der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 in allen möglichen Helligkeitsvarianten als einzelne Parameter. Bei Beleuchtungsvorrichtungen 1, bei denen zum Beispiel nur der Azimut und nicht auch die Neigung (Elevation) der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 beziehungsweise der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 der LED-Beleuchtungseinheiten 10-18 variabel sind, reduziert sich der Kalibrieraufwand nochmals.
Nachdem eine erste Ausleuchtungsseite des Objekts 2 optimiert wurde, wird die Beleuchtung der zweiten, gegenüberliegenden Ausleuchtungsseite nach demselben Verfahren eingestellt. Im Anschluss daran erfolgt die optimierte Beleuchtungseinstellung für die Oberseite des Objekts 2. Wenn diese Optimierung beendet ist, ist in den meisten Fällen festzustellen, dass an den Übergängen von der Oberseite zu den beiden Längsseiten des Objekts 2 Helligkeitssprünge beziehungsweise Inhomogenitäten auftreten. Hier ist eine weitere Optimierung und Angleichung erforderlich. Die für die Oberseite gefundene beste Ausleuchtung muss jetzt in gleichen Helligkeitsänderungsschritten für jedes LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 von oben sukzessive verstellt werden, bis der Übergang zu einer der beiden Längsseiten optimiert ist. Dies wird mit bereits vorliegenden Helligkeitsstufen vollzogen. Dasselbe muss auf dem gegenüberliegenden Übergang zwischen der Oberseite und der Längsseite vollzogen werden. Wenn sich zeigt, dass für beide Übergänge unterschiedliche Helligkeitsstufen von oben zu einer optimierten Ausleuchtung führten, so muss zwischen beiden Seiten ein geeigneter Kompromiss gefunden werden.
Da für eine Beleuchtung von oben eine gute Homogenität der Ausleuchtung erreicht worden ist, muss nun zur Anpassung eines ersten Überganges zwischen der Oberseite und einer der beiden Längsseiten des Objekts 2 die Beleuchtungsstärke der LED-Leuchtmittel der über der Oberseite angeordneten LED-Beleuchtungseinheiten gleichmäßig über alle LED-Leuchtmittel in Schritten von beispielsweise 10 % Helligkeitsänderung in die Helligkeitsrichtung der Beleuchtung der Oberseite geschaltet werden. Dabei sollte vorzugsweise der (gegenüberliegende) Übergang zwischen der Oberseite und der zweiten Längsseite kontinuierlich mit erfasst werden, um die Homogenität der Ausleuchtung dort ebenfalls zu ermitteln. Wenn für beide Seiten dieselbe Richtung der Helligkeitsänderung gilt, kann in weiteren Schritten so weit geschaltet werden, bis der Übergang auf einer der beiden Längsseiten optimiert ist. Die andere Längsseite muss anschließend mit der Seitenbeleuchtung mit konstanter Änderung über alle LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 auf das Niveau eines Ausgleichs zur Helligkeit der Oberseite gebracht werden.
Sind die notwendigen Helligkeitsänderungen auf den beiden Längsseiten gegenläufig, müssen die linke und rechte Seite unabhängig voneinander wiederum in kleinen und mit ganzseitig über alle LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 gleichförmigen Beleuchtungsänderungsschritten auf das Niveau der Beleuchtung der Oberseite gebracht werden.
Wenn dieser Prozess für jeden Fahrzeugtyp und jede Aufprallart einmalig vollzogen und die optimierten Helligkeits- und Abstrahlrichtungswerte in Speichermitteln gespeichert worden sind, muss bei realen Versuchen nur das Modell und die Aufprallart eingegeben werden und die Beleuchtungsvorrichtung 1 wird automatisch auf die gespeicherten Werte gesetzt. Würde man stattdessen diese Lichteinstellungsadaption visuell-manuell durchführen, wäre damit ein erheblicher Zeitaufwand verbunden. Geht man zum Beispiel von einer Fahrzeugmodellanzahl von 10 und einer Anzahl von Versuchsarten ebenfalls von 10 aus, dann ergeben sich insgesamt bereits 100 Einstellungsvarianten. Den Zeitaufwand für eine visuell-manuelle Lichtadaptionsprozedur mit der beschriebenen Ausleuchtungsqualität kann man für ein Fahrzeugmodell mit etwa zwei Arbeitstagen schätzen. Mit der Begründung dieses Zeitaufwandes ist es unabdingbar, dass diese Lichtadaptionsarbeit für die beispielhaften 100 Konfigurationen wiederum nur vollautomatisch und rechnergesteuert vollzogen werden können.
Es ist nachvollziehbar, dass durch rechnergesteuerte Aktuatoren zur Richtungseinstellung der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104, zur Einstellung der Abstrahlintensität der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 und zur notwendigen Histogrammauswertung der Bilder mit der Verwendung einer zu diesem Zweck ausgebildeten Auswerteeinrichtung nur einen Bruchteil der Zeit einer visuell-manuellen Adaptionsarbeit in Anspruch nimmt. Geht man davon aus, dass für eine Adaptionsarbeit über 300 mechanische Variationen, Helligkeitsänderungen und weiterhin typischerweise etwa 1000 Bildlade- und Bildverarbeitungszyklen notwendig sind, kann man für eine vollständige Lichtadaption von einem Zeitraum von etwa einer Stunde ausgehen. Aufgrund der Automatisierung, die mittels des hier vorgestellten Verfahrens geschaffen wird, ist die Anwesenheit einer Bedienperson nicht erforderlich.
Die Änderungsschritte aller Parameter sollten auf ein Minimum reduziert werden, da sonst eine für die praktische Durchführung nicht akzeptable Zahl von Messzyklen zusammenkommen würden. Aus diesem Grund ist es auch erforderlich, mit sehr guten Startwerten (Initialisierungsparameterwerten) in die Kalibrierung der Beleuchtungsvorrichtung 1 zu gehen. Je besser diese Startwerte berechnet oder geschätzt wurden, desto weniger Zeit nimmt der Kalibrierungsprozess in Anspruch.
Zur Ermittlung sehr guter Startwerte ist es zweckmäßig, eine rechnerische Simulation mit einem hochwertigen Rechenmodell der praktischen Kalibrierung voranzustellen. Durch Variation von Beleuchtungsparametern, realen Fahrzeugaußenkonturen aus CAD-Daten, der Anwendung von korrekten physikalischen Reflexions-, Absorptions- und Streuungsgesetzen sowie den Eigenschaften von unterschiedlichen Lichtwellenlängen (Farben) usw. können die Lichtadaptionsparameter zu einem hohen Qualitätsgrad in einem Modell berechnet werden.
Die per Simulation errechneten Abstrahlwinkel und Lichtströme der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 müssen nur an die Steuerungseinrichtung übergeben werden. Durch die Steuerungseinrichtung werden die per Simulation berechneten Werte über die Aktuatormittel eingestellt. Ein sofortiger Test mit diesen Einstelldaten zeigt die Qualität der Simulation.
Mit den berechneten Startwerten eines guten Simulationsprogrammes erhält man die Bestätigung, dass die auf ein Minimum reduzierten Kalibrierungen dennoch eine ausreichende Zahl von Einstelldaten für eine gleichzeitig für alle Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen 30, 31, 32 zuverlässige und bestmögliche Parameterfindung ergeben.
4 zeigt abschließend noch einmal schematisch die Beleuchtung des Objekts 2 mittels einer LED-Beleuchtungseinheit 10 der Beleuchtungsvorrichtung 1 und die Bildaufzeichnung mittels einer Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 30.
Die Ansteuerung der Aktuatormittel, die dazu ausgebildet sind, zumindest die Beleuchtungsstärken und/oder die Abstrahlrichtungen der LED-Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 der LED-Beleuchtungseinheit 10 einzeln oder gruppenweise zu variieren, erfolgt mittels der Steuerungseinrichtung 4 über eine Bereitstellung von Parametersätzen. Die Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtung 30 erfasst die Helligkeitsverteilung des von dem Objekt 2 reflektierten Lichts über eine Chip-Matrix 300. Ein Schnittstellenmittel 40 bildet eine Schnittstelle zwischen der Chip-Matrix 300 und der Steuerungseinrichtung 4, so dass eine Anpassung der Helligkeitsverteilung auf dem Objekt 2 durch eine Änderung der Parametersätze für die Ansteuerung der Leuchtmittel 100, 101, 102, 103, 104 der LED-Beleuchtungseinheit 10 erfolgen kann.

Claims

Adaptive Beleuchtungsvorrichtung (1) für Hochgeschwindigkeitsbildaufzeichnungen eines Objekts (2) mittels einer Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32), umfassend - eine Anzahl von LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) mit einer Vielzahl von LED-Leuchtmitteln (100-104), die während des Betriebs Licht zur Beleuchtung des Objekts (2) emittieren können, - Aktuatormittel zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18), die dazu ausgebildet sind, zumindest die Beleuchtungsstärken und/oder die Abstrahlrichtungen der LED-Leuchtmittel (100-104) einzeln oder gruppenweise zu variieren, - eine Steuerungseinrichtung (4) zur Steuerung der Aktuatormittel, die Speichermittel umfasst, in der Parametersätze zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) abrufbar gespeichert sind, - eine Auswerteeinrichtung zur Kalibrierung der adaptiven Beleuchtungsvorrichtung (1), die dazu eingerichtet ist, die von den Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32) aufgezeichneten Bilder des Objekts (2) zu erfassen und auszuwerten und daraus die Parametersätze zur adaptiven Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) zu berechnen.
Adaptive Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Bildhelligkeitsanalyse des von der Beleuchtungsvorrichtung (1) beleuchteten Objekts (2) durchführen kann und ein Helligkeitshistogramm generieren kann.
Adaptive Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Speichermitteln Parametersätze zur adaptiven Beleuchtung einer Mehrzahl von Objekten (2) in einer Mehrzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen und/oder Versuchsbedingungen gepeichert sind, die von der Steuerungseinrichtung (4) selektiv abrufbar sind.
Adaptive Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Speichermitteln Ortsinformationen der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) abrufbar gespeichert sind, mittels derer die LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) denjenigen Teilbereichen, die sie auf dem Objekt (2) beleuchten können, zugeordnet werden können.
Adaptive Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Leuchtmittel (100-104) der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) in einer Anzahl m von Reihen übereinander und in einer Anzahl n von Spalten nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren zur Kalibrierung einer Beleuchtungsvorrichtung (1), die nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt ist, umfassend die Schritte a) Aktivieren der Beleuchtungsvorrichtung (1) und Beleuchten einer Ausleuchtungsseite des Objekts (2) mittels der LED-Leuchtmittel (100-104) zumindest einiger der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18), b) Aufzeichnen einer Mehrzahl von Bildern des Objekts (2) mittels einer Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32), c) Analysieren einer Bildhelligkeit eines jeden Bilds und Erzeugen eines Helligkeitshistogramms zur Erfassung überbelichteter und unterbelichteter Bereiche des Objekts (2), d) Zuordnen der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) zu den von diesen beleuchteten Bereichen des Objekts (2) e) Bereitstellen einer Mehrzahl von Parametern zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) zur Einstellung zumindest der Beleuchtungsstärken und/oder der Abstrahlrichtungen der LED-Leuchtmittel (100-104) der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18), mit denen das Objekt (2) beleuchtet wird, f) Aufzeichnen einer Mehrzahl von Bildern des Objekts (2) mittels der Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32), g) Berechnen einer Ist-Korrelation aus den im Schritt f) aufgezeichneten Bildern und Vergleichen der Ist-Korrelation mit einer Soll-Korrelation, h) Wiederholen der Schritte e) bis g) mit geänderten Parametern, bis die Ist-Korrelation im Wesentlichen der Soll-Korrelation entspricht, i) Speichern der Parameter in mindestens einem Speichermittel.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ähnlichkeiten der Helligkeitsverteilungen der erfasssten Bilder aller auf der Ausleuchtungsseite des Objekts (2) angeordneten Hochgeschwindigkeits-Bildaufzeichnungseinrichtungen (30, 31, 32) durch die Methode der Kreuzkorrelation berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Kalibrieren einer ersten Ausleuchtungsseite des Objekts (2) die Verfahrensschritte a) bis i) für jede weitere Ausleuchtungsseite des Objekts (2) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) durch eine Quantisierung zu Parametersätzen reduziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierung der Beleuchtungsvorrichtung (1) Kalibrierungsstartwerte, die aus Simulationen erhalten werden, als Initialisierungsparameter für die Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheiten (10-18) gesetzt werden.